Лабораторный блок питания с регулировкой

Финальный сборный проект книги в её нынешнем виде — устройство, которым ты будешь пользоваться при сборке всех последующих (и, скорее всего, многих будущих) проектов. Регулируемое напряжение из главы 20 и ограничение тока из главы 21 объединяются в одно полезное и безопасное настольное устройство.

Цель проекта

• Регулируемое выходное напряжение — примерно от 1.25В до 15В (диапазон LM317 при разумном входном напряжении трансформатора).
• Регулируемое ограничение тока — от десятков миллиампер до примерно 1А, защищающее и блок питания, и то, что к нему подключено, от последствий случайного короткого замыкания на макетке.
• Индикация напряжения и тока — хотя бы подключением мультиметра к выходным клеммам, в идеале — встроенным вольтметром/амперметром.

От регулятора напряжения к регулятору с ограничением тока

Базовая схема LM317 из главы 20 регулирует только напряжение — при коротком замыкании на выходе она попытается выдать в нагрузку весь ток, на который способна (ограниченный только встроенной защитой самой микросхемы, обычно около 1.5А). Для лабораторного питания это неудобно: любая ошибка в собираемой на макетке схеме (например, забытый в главе 08 обратный диод) рискует получить куда больше тока, чем реально нужно для эксперимента.

Решение — добавить простой транзисторный узел ограничения тока, использующий тот же принцип, что уже применялся в этой книге: маленький резистор в цепи тока (сенсорный резистор Rsense), и транзистор, который "следит" за падением напряжения на нём.

Схема

Как работает ограничение тока

Пока ток через Rsense невелик, падение напряжения на нём (по закону Ома) меньше порога открытия перехода база-эмиттер транзистора Q1 (около 0.6В) — Q1 закрыт и не влияет на работу схемы, LM317 работает как обычный регулятор напряжения из главы 20. Когда ток растёт настолько, что падение на Rsense приближается к 0.6В — Q1 начинает приоткрываться и отводить часть тока с вывода ADJ, что заставляет LM317 снижать выходное напряжение, ограничивая тем самым дальнейший рост тока. Порог срабатывания — тот же принцип, что и формула источника тока из главы 21: Iограничение ≈ 0.6В / Rsense.

Например, для ограничения тока около 500 мА: Rsense = 0.6 / 0.5 = 1.2 Ом. Для регулируемого ограничения тока вместо фиксированного Rsense можно поставить небольшой мощный потенциометр (или переключаемый набор резисторов) — но учти, что через него течёт весь выходной ток, поэтому обычный маломощный потенциометр здесь не подходит.

Индикация

Простейший вариант — вывести клеммы на переднюю панель и постоянно держать рядом мультиметр. Более удобный вариант для готового устройства — врезать в корпус пару недорогих готовых цифровых модулей вольтметра/амперметра (широко доступны как готовые маленькие платы) — они не требуют повторной разработки индикации с нуля на компонентах этой книги и заметно облегчают сборку финального корпуса.

Обвязка и защита

• Радиатор на LM317 — обязателен, особенно при работе на низком выходном напряжении с заметным током, где разница Vin−Vout (а значит и тепловыделение, глава 20) наибольшая.
• Предохранитель на входе — на стороне первичной обмотки трансформатора или сразу после моста, защищает от последствий серьёзной неисправности внутри самого блока питания.
• Диод обратной полярности на выходе — если случайно подключить что-то, способное "вернуть" напряжение в блок питания (например, заряженный конденсатор или батарею) в обратной полярности, диод защищает LM317 от повреждения.

Калибровка готового прибора

1. Подключи образцовый (заведомо исправный) мультиметр к выходным клеммам, покрути ручку регулировки напряжения от минимума до максимума, отметь на корпусе или шкале реальные контрольные точки (например, ровно 5В, 9В, 12В) — реальный ход регулировки потенциометра редко линеен один в один с ожиданиями "на глаз".
2. Проверь ограничение тока, кратковременно замкнув выход через амперметр (мультиметр в режиме измерения тока) при разных положениях регулятора тока, сверяя реальное ограничение с расчётным.
3. Оставь собранный блок питания поработать под умеренной нагрузкой некоторое время, контролируя нагрев радиатора — это финальная проверка перед тем, как полагаться на устройство ежедневно.

Итог блока «Источники питания своими руками»

Три главы блока прошли путь от простого стабилизатора до полноценного лабораторного инструмента — который, что особенно приятно, теперь будет использоваться при сборке любых будущих проектов вместо батареек и случайных зарядников. Последний блок книги — мост к микроконтроллерам: тот же набор навыков схемотехники, но уже под управлением кода.